碳钢:把含碳量小于2.11%而不含有特意加入合金元素的钢称为碳素钢,简称碳钢。
常存元素对钢性能的影响
碳钢中除铁和碳两个主要元素外,炼钢原料总是存在一定的杂质,而且在冶炼过程还会带入一些杂质,如Si、Mn、P、S、非金属夹杂物及氧、氮、氢等气体。它们对钢的性能和质量有一定的影响。
(1)锰(Mn)。锰主要来自炼钢脱氧剂。脱氧后残留在钢中的锰可溶于铁素体和渗碳体中,使钢的强度和硬度提高。此外,锰还与硫形成MnS,从而减轻硫对钢的有害作用。所以锰是钢中的有益元素,其含量一般为0.25%~0.80%。
(2)硅(Si)。硅是炼钢后期,以硅铁脱氧剂进行脱氧反应后残留在钢中的元素。硅能溶于铁素体,对钢有一定的强化作用,所以硅是钢中的有益元素。但由于含量少,故其强化作用不大,一般应控制在0.17%~0.37%之内。
(3)硫(S)。硫是由生铁及燃料带入钢中的有害元素。它在钢中与铁生成化合物FeS,FeS与铁形成共晶体(Fe+FeS),熔点低(985℃)。当钢材加热到1000~1200℃进行轧制或锻造时,沿晶界分布的共晶体已经熔化,各晶粒间连接被破坏,导致钢材开裂,这种现象称为热脆性。因此,硫是钢中的有害元素,其含量不得超过0.05%。
(4)磷(P)。磷是由生铁带入钢中的有害元素。磷部分溶解在铁素体中形成固溶体,部分在结晶时形成脆性很大的化合物Fe3P,使钢在低温下(一般为100℃以下)的塑性和韧性急剧下降,这种现象称为冷脆性。钢中含磷量达到0.10%时,冷脆性就很严重了。因此,磷是钢中的有害元素,一般钢中含磷量限制在0.04%以下。
(5)非金属夹杂物。钢中的非金属夹杂物有氧化物、硫化物和硅酸盐等。这些夹杂物是炼钢反应产生而未能完全排除,或是从炉渣、炉体、铸锭设备等耐火材料中带入的。非金属夹杂物降低钢的强度、塑性,因而夹杂物越少,钢的质量越好。
碳钢的分类
(1)按冶炼方法及设备分:a.平炉钢 b.转炉钢 c.电炉钢
(2)按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧程度分
a.沸腾钢:在冶炼末期和浇注前用锰铁和少量铝作脱氧剂进行轻微脱氧,使大量的氧留在钢液中;在浇入锭模后,钢中的氧与碳反应,产生大量CO气泡而引起钢液表面剧烈沸腾,故称为沸腾钢。
b.镇静钢:钢液浇注前相继用锰铁、硅铁和铝等脱氧剂进行充分脱氧,使钢液浇入锭模后凝固时没有CO气泡产生,锭模内钢液平静,故称为镇静钢。
c.连铸坯:钢液经过连铸机直接生产的钢坯叫做连铸坯。
d.半镇静钢:钢液脱氧程度不够充分,介于沸腾钢和镇静钢之间,浇注时产生轻微沸腾,钢的组织和性能也介于镇静钢和沸腾钢之间。
(3)按含碳量分类
a.低碳钢:钢的碳含量wc<0.25% 。
b.中碳钢:钢的碳含量介于0.25%~0.60%之间(wc=0.25%~0.60%)。
c.高碳钢:钢的碳含量wc>0.60% 。
(4)按碳钢的质量分类,这种分类方法主要根据碳钢中所含有害杂质S、P的质量分数分类。
a.普通碳素钢:ws≤0.050%、wp≤0.045%。
b.优质碳素钢:ws≤0.035%、wp≤0.035%。
c.高级优质碳素钢:ws≤0.025%、wp≤0.025%。
d.特技优质碳素钢:ws≤0.015%、wp≤0.025%。
常存元素对钢性能的影响
碳钢中除铁和碳两个主要元素外,炼钢原料总是存在一定的杂质,而且在冶炼过程还会带入一些杂质,如Si、Mn、P、S、非金属夹杂物及氧、氮、氢等气体。它们对钢的性能和质量有一定的影响。
(1)锰(Mn)。锰主要来自炼钢脱氧剂。脱氧后残留在钢中的锰可溶于铁素体和渗碳体中,使钢的强度和硬度提高。此外,锰还与硫形成MnS,从而减轻硫对钢的有害作用。所以锰是钢中的有益元素,其含量一般为0.25%~0.80%。
(2)硅(Si)。硅是炼钢后期,以硅铁脱氧剂进行脱氧反应后残留在钢中的元素。硅能溶于铁素体,对钢有一定的强化作用,所以硅是钢中的有益元素。但由于含量少,故其强化作用不大,一般应控制在0.17%~0.37%之内。
(3)硫(S)。硫是由生铁及燃料带入钢中的有害元素。它在钢中与铁生成化合物FeS,FeS与铁形成共晶体(Fe+FeS),熔点低(985℃)。当钢材加热到1000~1200℃进行轧制或锻造时,沿晶界分布的共晶体已经熔化,各晶粒间连接被破坏,导致钢材开裂,这种现象称为热脆性。因此,硫是钢中的有害元素,其含量不得超过0.05%。
(4)磷(P)。磷是由生铁带入钢中的有害元素。磷部分溶解在铁素体中形成固溶体,部分在结晶时形成脆性很大的化合物Fe3P,使钢在低温下(一般为100℃以下)的塑性和韧性急剧下降,这种现象称为冷脆性。钢中含磷量达到0.10%时,冷脆性就很严重了。因此,磷是钢中的有害元素,一般钢中含磷量限制在0.04%以下。
(5)非金属夹杂物。钢中的非金属夹杂物有氧化物、硫化物和硅酸盐等。这些夹杂物是炼钢反应产生而未能完全排除,或是从炉渣、炉体、铸锭设备等耐火材料中带入的。非金属夹杂物降低钢的强度、塑性,因而夹杂物越少,钢的质量越好。
碳钢的分类
(1)按冶炼方法及设备分:a.平炉钢 b.转炉钢 c.电炉钢
(2)按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧程度分
a.沸腾钢:在冶炼末期和浇注前用锰铁和少量铝作脱氧剂进行轻微脱氧,使大量的氧留在钢液中;在浇入锭模后,钢中的氧与碳反应,产生大量CO气泡而引起钢液表面剧烈沸腾,故称为沸腾钢。
b.镇静钢:钢液浇注前相继用锰铁、硅铁和铝等脱氧剂进行充分脱氧,使钢液浇入锭模后凝固时没有CO气泡产生,锭模内钢液平静,故称为镇静钢。
c.连铸坯:钢液经过连铸机直接生产的钢坯叫做连铸坯。
d.半镇静钢:钢液脱氧程度不够充分,介于沸腾钢和镇静钢之间,浇注时产生轻微沸腾,钢的组织和性能也介于镇静钢和沸腾钢之间。
(3)按含碳量分类
a.低碳钢:钢的碳含量wc<0.25% 。
b.中碳钢:钢的碳含量介于0.25%~0.60%之间(wc=0.25%~0.60%)。
c.高碳钢:钢的碳含量wc>0.60% 。
(4)按碳钢的质量分类,这种分类方法主要根据碳钢中所含有害杂质S、P的质量分数分类。
a.普通碳素钢:ws≤0.050%、wp≤0.045%。
b.优质碳素钢:ws≤0.035%、wp≤0.035%。
c.高级优质碳素钢:ws≤0.025%、wp≤0.025%。
d.特技优质碳素钢:ws≤0.015%、wp≤0.025%。